Fö 5 - TSFS11 Energitekniska system Trefastransformatorn Elektrisk kraftöverföring

Relevanta dokument
Fö 4 - TMEI01 Elkraftteknik Trefastransformatorn Introduktion till Likströmsmaskinen

Fö 4 - TMEI01 Elkraftteknik Trefastransformatorn Introduktion till Likströmsmaskinen

a) Beräkna spänningen i mottagaränden om effektuttaget ökar 50% vid oförändrad effektfaktor.

Fö 4 - TSFS11 Energitekniska system Enfastransformatorn

TSFS11 - Energitekniska system Kompletterande lektionsuppgifter

Fö 4 - TSFS11 Energitekniska system Enfastransformatorn

Fö 2 - TMEI01 Elkraftteknik Trefas effektberäkningar

Transformatorns princip. Transformatorns arbetssätt. Styrteknik ETB Transformatorn

Fö 2 - TMEI01 Elkraftteknik Trefas effektberäkningar

Fö 3 - TSFS11 Energitekniska system Trefassystemet

Fö 3 - TMEI01 Elkraftteknik Enfastransformatorn

Fö 3 - TSFS11 Energitekniska system Trefassystemet

Tentamen i Elkraftteknik 3p

Tentamen i Elkraftteknik för Y

Laborationsrapport. Elkraftteknik 2 ver 2.4. Mätningar på 3-fas krafttransformator. Laborationens namn. Kommentarer. Utförd den. Godkänd den.

Fö 9 - TMEI01 Elkraftteknik Elektrisk kraftöverföring och personfaran

LNB727, Transformatorn. Jimmy Ehnberg, Examinator Avd. för Elkraftteknik Inst. för Elektroteknik

Fö 6 - TMEI01 Elkraftteknik Asynkronmaskinen

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Fö 1 - TMEI01 Elkraftteknik Trefassystemet

Tentamen på del 1 i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Sedan tidigare P S. Komplex effekt. kan delas upp i Re och Im. Skenbar effekt är beloppet av komplex effekt. bestämmer hur hög strömmen blir

Elektriska drivsystem Föreläsning 2 - Transformatorer

Trefastransformatorn

Elenergiteknik. Laborationshandledning Laboration 1: Trefassystemet och Trefastransformatorn

Fö 1 - TMEI01 Elkraftteknik Trefassystemet

Självstudieuppgifter om effekt i tre faser

Tentamen på del 1 i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Tentamen på elläradelen i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Enfastransformatorn. Ellära 2 Laboration 5. Laboration Elkraft UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Dan Weinehall/Per Hallberg

Trefastransformatorn

Fö 1 - TMEI01 Elkraftteknik Trefassystemet

Elektriska och elektroniska fordonskomponenter. Föreläsning 4 & 5

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Viktigt! Glöm inte att skriva Tentamenskod på alla blad du lämnar in.

Tentamen på elläradelen i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 2 - Trefassystem och transformatorn

ELLÄRA Laboration 4. Växelströmslära. Seriekrets med resistor, spole och kondensator

Laborationer Växelström trefas

ELMASKINLÄRA ÖVNINGSUPPGIFTER

Svar och Lösningar. 1 Grundläggande Ellära. 1.1 Elektriska begrepp. 1.2 Kretslagar Svar: e) Slinga. f) Maska

Laborationsrapport. Kurs Elinstallation, begränsad behörighet ET1013. Lab nr 4 ver 1.5. Laborationens namn Trefas växelström. Kommentarer.

Växelström och reaktans

Facit/Lösningsförslag till Tentamen (TEN1) TSFS11 Energitekniska System. 23:e Aug, 2014, kl

Tentamen del 1 Elinstallation, begränsad behörighet ET

Tentamen den 9 januari 2002 Elkraftteknik och kraftelektronik TEL202

FORDONSSYSTEM/ISY LABORATION 1. Trefastransformatorn. (Ifylls med kulspetspenna ) LABORANT: PERSONNR: DATUM: GODKÄND: (Assistentsign)

4. Elektromagnetisk svängningskrets

EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM. ENTR: En- och trefastransformatorn

Allmän behörighet Högspänning - Elkraftberäkningar

Spolen och Kondensatorn motverkar förändringar

Tentamen Elektronik för F (ETE022)

1 Grundläggande Ellära

Sven-Bertil Kronkvist. Elteknik. Komplexa metoden j -metoden. Revma utbildning

Allmän behörighet. Facit - Övningstenta

Tentamen (TEN1) TMEI01 Elkraftteknik

Tentamenskod: Hjälpmedel: Eget författat formelblad skrivet på A4 papper (båda sidor får användas) och valfri godkänd räknedosa.

Tentamen den 22 mars 2003 Elkraftteknik och kraftelektronik TEL202

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Fö 8 - TSFS11 Energitekniska System Asynkronmaskinen

Tentamen (TEN1) TSFS11 Energitekniska system

Kapitel: 31 Växelström Beskrivning av växelström och växelspänning Phasor-diagram metoden Likriktning av växelström

3.4 RLC kretsen Impedans, Z


Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Du behöver inte räkna ut några siffervärden, svara med storheter som V 0 etc.

Tentamen den 10 januari 2001 Elkraftteknik och kraftelektronik TEL202

Fö 5 - TMEI01 Elkraftteknik Likströmsmaskinen

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

Trefassystemet. Industrial Electrical Engineering and Automation

Strömförsörjning. Transformatorns arbetssätt

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Växelström i frekvensdomän [5.2]

TSFS04, Elektriska drivsystem, 6 hp Föreläsning 7 - Synkronmaskinen

Växelström i frekvensdomän [5.2]

Växelström K O M P E N D I U M 2 ELEKTRO

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Synkrongeneratorn och trefas

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Teori: kap 2 i ELKRAFT. Alla uppkopplingar görs med avslagen huvudbrytare på spänningskuben!!!!

Kortslutningsströmmar i lågspänningsnät Detta är ett nedkortat utdrag ur kursdokumentation.

Tentamen ellära 92FY21 och 27

Kraftledningar och elnät. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Synkrongeneratorn och trefas

A156TG Elkrafttekniska beräkningar och elkvalitet. 7,5 högskolepoäng. Lycka till!

Ellära och Elektronik Moment AC-nät Föreläsning 4

UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Johan Pålsson. Rev Problemhäfte E L K R A F T ELEKTRO

Vi börjar med en vanlig ledare av koppar.

X-tenta ET Figur 1. Blockschema för modell av det nordiska kraftsystemets frekvensdynamik utan reglering.

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

Tentamen i Elektronik grundkurs ETA007 för E1 och D

Kraftledningar och elnät. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Elektriska Drivsystem Laboration 3 Likriktarkopplingar. Likriktare uppbyggda av dioder och tyristorer. Teori: Alfredsson, Elkraft, Kap 5

Växelström. Emma Björk

Transkript:

Fö 5 - TSFS11 Energitekniska system Trefastransformatorn Elektrisk kraftöverföring Christofer Sundström 22 april 2016

Kursöversikt Fö 11 Fö 5 Fö 4 Fö 2 Fö 6 Fö Fö 7,8,10 Fö 9 Fö 12 Fö 1

Outline 1 Trefastransformatorn Uppbyggnad Kopplingsarter Ekvivalent Kretsschema Beräkningsexempel 2 -Fas kraftöverföring Exempel på varianter Egenskaper hos ledare Modell av kraftledare Spänningsfall Beräkningsexempel Vinkelskillnad vid effektöverföring Högspänd likspänning

Trefastransformatorn: Uppbyggnad Alt 1: Använd tre st. likadana enfastransformatorer -> Mindre vanligt förutom vid extremt höga effekter -> Lägre effektivitet än alternativet Alt 2: Gemensam järnkärna för hela transformatorn, en s.k. trefastransformator -> Summan av magnetflödena är alltid noll vid symmetrisk trefas. Därför behövs ingen magnetisk återledare. -> Det räcker alltså med en trebent transformator, dvs ett ben för varje fas. R S T r s t

Uppbyggnad, forts. r R R S T s S r s t t T Figur : Uppbyggnad av trefas krafttransformator och dess schemasymbol vid Y-koppling. De tre faserna R, S och T har en uppsänningslidning och en nedspänningslindning på varje ben.

Kopplingsarter Lindningarna på en trefastransformator brukar kopplas enligt: IL A=R B=S C=T N U F Y-koppling U H A=R I L I F B=S C=T D-koppling I A=R L B=S C=T N U F Z-koppling Magnetfältet från en D-kopplad lindning blir ggr. större än vid Y-kopplad lindning. -> Spänningen på sekundärsidan blir ggr. större för D-kopplad lindning än för Y-kopplad lindning på primärsidan. -> Spänningen på sekundärsidan blir ggr. mindre för D-kopplad lindning än för Y-kopplad lindning på sekundärsidan. De två lindningsdelarna i Z-kopplingen är två hälfter av en lindningsfläta kopplade så att spänningarna blir motkopplade och fasförskjutna 60. -> Förekommer på lågspänningssidan där snedbelastning förekommer. U F

Kopplingsarter, forts. Transformatorkopplingar betecknas enligt Uppspänningslindning Y-koppling Y y D-koppling D d Z-koppling Z z Nedspänningslindning Fasläget för en trefaslindning uttrycks enligt klockmetoden Ex: YNd5 betyder att uppspänningssidan är Y-kopplad med nolluttag och nedspänningssidan D-kopplad samt 150 (5 0 ) efter uppsidans spänning. Vanligast vid transformering till 20/400 V är Dyn-kopplade transformatorer.

Ekvivalent Kretsschema Ofta försummas tomgångsförlusterna vid utritning av trefastransformatorns kretsschema. Räkningarna görs enklast under antagandet att transformatorn består av tre st Y-kopplade enfastransformatorer. -> Förutsätter balanserad last. I 1 I 2 R 2 jx 2 U 1 U 20 U 2 Z B N 1 N 2 Figur : Ekvivalent per Y-fas schema för trefastransformator. Notera att U 1 här representerar huvudspänningen på primärsidan, inte fasspänning nummer 1. Notera att fasspänningen nu är U 1.

Ekvivalent Kretsschema: Spänningsfall Vi hade sedan tidigare för enfasfallet U 20 = (U 2 + R 2K I 2 cos ϕ 2 + X 2K I 2 sin ϕ 2 ) 2 + (X 2K I 2 cos ϕ 2 R 2K I 2 sin ϕ 2 ) 2 Vid -fas beräkningar så är alla spänningar huvudspänningar så vi får därför U 20 = ( U2 + R 2K I 2 cos ϕ 2 + X 2K I 2 sin ϕ 2 ) 2 + (X 2K I 2 cos ϕ 2 R 2K I 2 sin ϕ 2 ) 2 Spänningsfallsformeln för -fas-transformatorn U 20 ( U 2 + R 2K I 2 cos ϕ 2 + X 2K I 2 sin ϕ 2 )

Beräkningsexempel Rita ekvivalent per fas schema I 1 I 2 R 2 jx 2 U 1 U 20 U 2 Z B N 1 N 2

Beräkningsexempel a) Sökt: I 1M och I 2M Givet: S M = 50 kva, U 1M = 10 kv, U 2M = 0, 4 kv Lösning: Använd definitionen av trefaseffekt för upp-sidan och ned-sidan S M = U 1M I 1M = U 2M I 2M = { I1M = 50 10 = = 2, 9 A 10 4 50 10 I 2M = = 72, 2 A 4 10 2 b) Sökt: R 1K och R 2K, dvs kortslutningsresistansen sett från primär och sekundärsidan. Givet: P FBM = 870 W Lösning: Effekten i varje gren är en tredjedel så vi har att P FBM = R 1K I1M 2 = R 2K I2M 2 = 870 R 1K = 2,9 = 4, 8 Ω = 2 870 R 2K = 72,2 = 55, 2 mω = R 2 1K ( U2M U 1M ) 2

Beräkningsexempel c) Sökt: X 1K och X 2K, dvs kortslutningsreaktans sett från primär och sekundärsidan. Givet: P FBM = 870 W, u Z =, 4%. Här är u Z det procentuella impedansspänningsfallet vid märkström. Lösning: Procentuella spänningsfallet är spänningsfallet över Z 1K eller Z 2K vid märkström på resp. sida. Z 1 I 1K I 2K R 2 jx 2 U 1K = Z 1K I 1K (1) U 1K U Z1 U Z2 U 1K = uz 100 U 1M =, 4 100 104 = 40 V (2) Z 1K = R 2 1K + X 2 () 1K X 2K = X 1K ( U2M U 1M ) 2 (4) (1)&(2) = Z 1K = N 1 N 2 U 1K 40 = = 68 Ω I1K 2, 9 () = X 1K = 58, 4 Ω ( ) 2 400 (4) = X 2K = 58, 4 10 4 = 9, 5 mω

Beräkningsexempel d) Sökt: U 2, spänningen över lasten Givet: U 1 = U 1M U 20 = U 2M, Märkbelastning I 2 = I 2M, cos ϕ 2 Lösning: Rita figur och sätt ut kända och okända storheter. Använd spänningsfallsformeln I1 I 2 R 2 jx 2 U 1M U 20 U 2 Z B cos ϕ 2 ind. N 1 N 2 U 20 U 2 + I 2 (R 2K cos ϕ 2 + X 2K sin ϕ 2 ) = 400 U 2 + 72, 2 ( 55, 2 10 0, 8 + 9, 5 10 0, 6 ) = U 2 87, 4 V

Beräkningsexempel e) Sökt: η, för märkbelastningsfallet Givet: U 2, I 2M, cos ϕ 2, P F 0, P FBM Lösning: Räkna ut P 2M för driftsfallet och använd formeln för effektivitet P 2M = U 2 I 2M cos ϕ 2 = 87, 4 72, 2 0, 8 = 8742 W η = P 2M 8742 = P 2M + P F 0 + P FBM 8742 + 15 + 870 = 97, 5 % Notera: Notera att formeln ovan enbart gäller för en last med samma ϕ 2. Mer generellt vore att skriva η = P 2 x S 2M cos ϕ2 = P 1 x S 2M cos ϕ2 + P F 0 + x 2 P FKM

Beräkningsexempel f) Sökt: Belastningsgraden för max verkningsgrad Givet: P F 0, P FBM Lösning: Försumma P 2M s beroende på belastningsgrad och ställ upp verkningsgraden som funktion av belastnignsgrad. x P 2M η(x) = x P 2M + P F 0 + x 2 P FBM = f (x) g(x) η (x) = f (x) g(x) f (x) g (x) g(x) 2 =... ) P 2M (P F 0 x 2 P FBM g(x) 2 ) η (x) =0 = (P F 0 x 2 P FBM = 0 = x ηmax = PF 0 P FBM = 0.9

Beräkningsexempel g) Sökt: I K1 om transformatorn kortsluts trefasigt på sekundärsidan (obs skillnad I 1K I K1 ) Givet: U 1 = U 1M, Z 1Tot = Z 1K Lösning: Använd ohms lag på den kortslutna kretsen I K1 = U 1M Z1K = 104 68 = 85 A Strömmen ökar alltså från I 1M = 2.9A till I k,1 = 85A

Exempel på krafledningar

Exempel på krafledningar Figuren visar området kring en kraftledning där något inte får befinna sig utan särskilt tillstånd från Svenska kraftnät.

Exempel på krafledningar

Exempel på krafledningar 400 kv ledning

Exempel på krafledningar Dubbel 220 kv ledning

Egenskaper hos ledare: Resistans och induktans Resistans Koppar: R Cu = 17,2 a Ω/km Aluminium: R Al = 27 a Ω/km a är ledar-area i mm 2 Induktans Vid ledarplacering i liksidig triangel fås L = µ ( ( )) 0 µr d 2 π 4 + ln r där µ 0 = 4 π 10 7 Vs/Am är den magnetiska permeabilliteten i vakuum, µ r är relativ permeabillitet, d är avstånd mellan ledarna och r är ledarnas radie.

Egenskaper hos ledare: Kapacitans Kapacitans Ledare som är i närheten av andra ledare eller jord fungerar som kondensatorer. Ledningens kapacitans beror på ledarens yta (diameter och längd) samt avstånd mellan ledarna. På ledningar för spänningar upp till 50kV kan kapacitanserna försummas. Vid längre ledningar och högre spänningar, t.ex. i transmissionsnätet, ger kapacitansen en märkbar påverkan. Andra läckströmmar Viss läckström uppstår genom isolatorerna vid högre spänningar. Denna väderberoende läckström är i stort sett försumbar under normala förhållanden. Högspänningsledningar kan även råka ut ett glimningsfenomen eller s.k. koronaeffekt som uppstår när luftens dielektriska hållfasthet överskrids.

Exempel på krafledningar: Koronaeffekt Exempel på Koronaeffekt på 500kV ledning

Egenskaper hos ledare: Två bilder

Egenskaper hos ledare: Sammanfattning Vid överslagsberäkningar kan man i princip räkna med C d 0.008 µf per km För normalt utförda ledningar kan man anta X L 0, 4 Ω per km och fas Ledningens impedans kan skrivas som Z L = R L + jx L Ω. Vid stora ledningar med grova linor kan resistansen vara försumbar i förhållande till reaktansen.

Modell av kraftledare: PI-Schemat Medellånga ledare modelleras enligt ett ekvivalent PI-schema där ledningskapacitansen har delats upp i två lika delar. För korta ledare tas endast induktans och resistans med. Långa ledare komplexa uttryck. R L X L Generator U 1 C d C d 2 2 U2 Last cos ϕ 2 0 km < l 50 km Kort ledare 50 km < l 200 km Medellång ledare 200 km < l Lång ledare

Spänningsfall: Härledning Vi hade sedan tidigare spännings-sambanden för -fas-transformatorn. Vi insättning av U 20 = U 1 fås U 1 = ( U2 + R 2K I 2 cos ϕ 2 + X 2K I 2 sin ϕ 2 ) 2 + (X 2K I 2 cos ϕ 2 R 2K I 2 sin ϕ 2 ) 2 Vidare kan vi sätta in P 2 = U 2 I 2 cos ϕ 2 = = I 2 cos ϕ 2 = P 2 U2 Q 2 = U 2 I 2 sin ϕ 2 = = I 2 sin ϕ 2 = Q 2 U2 Vilket alltså ger ( U 1 = U 2 1 + P ) 2 ( 2 R L + Q 2 X L P2 X L Q 2 R L U2 2 + U2 2 ) 2

Spänningsfall uttryckt i effekt I anläggningstekniska sammanhang vill man vanligen räkna med aktiva och reaktiva effekter istället för strömmar och fasförskjutningar. Det är därför praktiskt att uttrycka spänningsfallsformeln i effekt enligt följande. ( U 1 = U 2 1 + P ) 2 ( 2 R L + Q 2 X L P2 X L Q 2 R L U2 2 + U2 2 Vid användning av den effektbaserade spänningsfallsformeln för medellånga ledare så används Q 2,Tot = Q 2 + Q Cd i formeln ovan. På så sätt kan fasförskjutningen som uppstår p.g.a. ledningskapacitansen härföras till lasten. ) 2

Beräkningsexempel En industrianläggning förbrukar vid full drift 25 MW vid cos ϕ = 0, 8 ind. Matningen till industrianläggningen är en 100 km lång trefas luftledning av koppar och med ledararea 95 mm 2. Ledningens reaktans är X L = 0, 4 Ω per km och fas. Dess driftskapacitans är C d = 0, 01 µf per km och fas. Frekvensen hos nätet är 50Hz. Beräkna a) Spänningen i generatoränden om spänningen hos mottagaren skall vara 70kV. b) Total aktiv och reaktiv effektförlust P F och Q F i a). c) Total avgiven aktiv och reaktiv effekt från generatorn.

Beräkningsexempel: Lösning a) Ledaren i uppgiften är medellång så vi kan räkna på ett PI-schema med C d /2 i varje ände enligt nedan. R L X L Lastsida Generator U 1 C d2 C d2 U 2 Last cos ϕ 2 Vi väljer att baka in det reaktiva effektbehovet från lastsidan i lastens reaktiva effektbehov för att kunna använda uttrycket för spänningsfall. Vi har P 2 = 25 MW Q 2 = Q Load Q Ledare = P 2 tan ϕ = 18.75 0.77 = 17.9 MVAr ( U2 ) 2 2 π f C d 2 =

Beräkningsexempel: Lösning a) Vidare har vi att R L = 17, 2 100/95 = 18.10 Ω X L = 0, 4 100 = 40 Ω Instoppat i spänningsfallsformeln får vi då ( U 1 = U 2 1 + P ) 2 ( ) 2 2 R L + Q 2 X L P2 X L Q 2 R L + = U 2 2 ( ) 25 18, 4 + 17, 9 0, 4 2 = 70 kv 1 + 70 2 + ( ) 25 0, 4 17, 9 18, 4 2 + 70 2 86.7 kv U 2 2

Beräkningsexempel: Lösning b), c) Börja med att räkna ut strömmen ur den skenbara effekten enligt S 2 = U 2 I och S 2 = P2 2 + Q2 2 = 25 = I = 2 + 17, 9 2 10 6 = 25, 75 A 70 10 Vi får då P F = Resistansförlust = R L I 2 =, 56 MW Q F = X L I 2 = 7, 75 MVAr Den totalt avgivna aktiva och reaktiva effekten blir P 1 = P 2 + P F = 28, 6 MW ( ) 2 U1 Q 1 = Q 2 2π f C d 2 + Q F = 24, 5 MVAr

Vinkelskillnad vid effektöverföring Vi har sett ur seriereaktansen, som dominerar för långa ledare ger upphov till ett spänningsfall. Ur figuren ser man att det krävs en vinkelskillnad (Ψ) för att överföra aktiv effekt och en amplitudskillnad för att överföra reaktiv effekt. Serieinduktansen X L begränsar ledarens överföringsförmåga enligt P = U 1f U 2f X L sin Ψ = P max = U 1f U 2f X L

Högspänd likspänning -fas kraftledningar kan inte läggas på havsbotten p.g.a. för hög shuntkapacitans. HVDC, som använder likspänning, har inte detta bekymmer och kan därför även läggas på havsbotten. Typiska data på HVDC länkar är f.n. ±400-500 kv och 1-1,5 ka vilket alltså ger 800-1500 MW HVDC används framför allt på överföringar till havs, för överföring mellan osynkroniserade nät samt för mycket långa landförbindelser där de låga förlusterna väger tyngre än förlusterna för omriktningen.